Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

La pupille humaine fait bien plus que simplement s’ajuster à la luminosité d’une pièce. Bien qu’elle se rétracte dans une lumière intense et s’élargisse dans l’obscurité pour réguler la vision, elle réagit également à l’état interne de l’esprit. Lorsqu’une personne est surprise, concentrée ou mentalement engagée, ses pupilles ont souvent tendance à se dilater, c’est-à-dire à s’élargir, même si la lumière reste constante. Pendant des décennies, les scientifiques soupçonnent que ces changements spontanés sont une fenêtre sur le « locus coeruleus » du cerveau, un minuscule amas de cellules nerveuses niché profondément qui agit comme la principale source de noradrénaline du cerveau, un messager chimique crucial pour la vigilance et l’attention. Comme cette région cérébrale est difficile à imager directement, les chercheurs espéraient depuis longtemps que mesurer la pupille pourrait servir de substitut fiable et non invasif de son activité. Cependant, à mesure que les gens vieillissent, la biologie du cerveau change, et la fiabilité de ce lien est restée incertaine. Si le lien entre la pupille et le système de vigilance du cerveau s’affaiblit ou se modifie avec l’âge, alors utiliser les mesures pupillaires pour étudier le cerveau vieillissant pourrait conduire à des conclusions trompeuses.

Pour enquêter sur ce point, une équipe de chercheurs de l'Université Cornell a réuni 89 adultes âgés de 19 à 78 ans pour effectuer une tâche visuelle à l'intérieur d'un scanner par résonance magnétique. Les participants regardaient un écran où apparaissaient à intervalles aléatoires des cercles de tailles et de luminosités différentes. La plupart des cercles étaient standards, mais occasionnellement, un cercle plus grand, appelé « anomalie », apparaissait, incitant le participant à appuyer sur un bouton. Les chercheurs enregistraient la taille de la pupille des participants en continu à une vitesse très élevée et scannaient simultanément leurs cerveaux pour mesurer le flux sanguin, lequel sert de substitut de l'activité neuronale. Ils s'intéressaient particulièrement à savoir si la taille de la pupille et la vitesse de son changement étaient liées à l'activité du système noradrénergique du cerveau, et si ces liens restaient vrais tout au long de la vie adulte.

L'étude a révélé que le comportement de la pupille n'est pas un signal unique et unifié, mais porte plutôt deux types d'informations distinctes qui opèrent sur des échelles de temps différentes et se connectent à différentes parties du cerveau. Les chercheurs ont découvert que la simple taille de la pupille à un instant donné est corrélée avec l'activité cérébrale selon un schéma spécifique, tandis que le changement rapide de la taille de la pupille — sa vitesse d'expansion ou de contraction — est corrélé à un schéma d'activité cérébrale totalement différent. Ces deux signaux ne se produisent pas seulement en même temps ; ils sont liés à des systèmes chimiques différents au sein du cerveau. Les changements rapides de la taille de la pupille étaient fortement liés aux zones du cerveau riches en transporteur de la noradrénaline, la protéine qui gère la substance chimique de l'alerte du cerveau. Cela confirme que lorsque la pupille s'élargit ou se rétrécit soudainement, elle suit effectivement l'activité du système de vigilance du cerveau. En revanche, la taille constante de la pupille était liée à des zones cérébrales denses en récepteurs opioïdes et cannabinoïdes, suggérant que la taille de base de la pupille reflète un état chimique différent et agissant plus lentement, potentiellement lié à la régulation de la douleur ou à l'humeur, plutôt qu'à l'alerte immédiate.

De manière cruciale, l'étude a examiné comment ces connexions tiennent bon à mesure que les personnes vieillissent. Les chercheurs ont constaté que la relation entre les changements rapides de la pupille et le système de vigilance du cerveau reste significative tout au long de la vie, mais qu'elle s'affaiblit légèrement chez les adultes plus âgés. Plus précisément, le nombre de régions cérébrales présentant un lien fort avec les changements de la pupille diminuait chez les participants les plus âgés, et la force de la connexion avec le système de la noradrénaline était plus faible chez les adultes plus âgés comparativement aux plus jeunes. Toutefois, le lien entre la taille constante de la pupille et les zones cérébrales liées aux opioïdes n'a changé du tout avec l'âge ; il est resté aussi fort chez un septuagénaire que chez un vingtenaire. Cette distinction est vitale car elle suggère que, bien que le système de vigilance du cerveau puisse devenir légèrement moins synchronisé avec les mouvements de la pupille à mesure que nous vieillissons, d'autres aspects de la chimie cérébrale reflétés par la pupille restent stables.

Les chercheurs ont également observé directement la région du cerveau responsable de la vigilance, le locus coeruleus, mais ont trouvé que le signal provenant de cette petite structure était trop ténu pour être mesuré de manière fiable chez les individus utilisant les techniques de balayage standard. Au lieu d'abandonner, ils ont cartographié l'influence de la pupille à travers l'ensemble du cerveau. Ils ont découvert que les changements rapides de la taille de la pupille étaient plus fortement associés à un vaste réseau de régions cérébrales impliquées dans l'attention et le traitement sensoriel, s'étendant de l'arrière du cerveau jusqu'au tronc cérébral. Ce motif étendu, plutôt qu'un signal ponctuel précis, est ce que la pupille semble suivre. L'étude a également écarté l'idée que ces liens cerveau-pupille étaient simplement causés par des changements de fréquence cardiaque ou de respiration, car les chercheurs avaient soigneusement éliminé ces facteurs de leurs données et les schémas persistaient.

En fin de compte, ce travail clarifie que la pupille est un instrument complexe qui raconte deux histoires différentes. Une histoire concerne la vitesse de changement, laquelle suit le système de vigilance du cerveau et montre un déclin modeste de sa coordination avec l'âge. L'autre histoire concerne l'état stationnaire, qui suit un système chimique différent et demeure cohérent tout au long de la vie. Cela signifie que si les scientifiques veulent utiliser les mesures pupillaires pour comprendre le vieillissement du cerveau, ils doivent faire attention à distinguer la taille de la pupille de la vitesse à laquelle elle change. En séparant ces deux signaux, les chercheurs peuvent mieux comprendre quelles parties du cerveau vieillissent et lesquelles restent inchangées, offrant ainsi un moyen plus précis de surveiller la santé cérébrale sans procédures invasives. Les résultats suggèrent que, bien que la machinerie de vigilance du cerveau puisse ralentir sa coordination avec l'œil à mesure que nous vieillissons, le paysage chimique fondamental du cerveau reste accessible grâce à ces variations subtiles et mesurables de la pupille.